- 1 -
Zosilňovače
Zosilňovače sú elektronické zariadenia na zosilnenie signálov. Tvoria základné obvody
vysielacích a prijímacích zariadení vysokofrekvenčnej techniky, elektroakustiky, meracích
prístrojov, riadiacich a regulačných obvodov.
Zosilňovač predstavuje elektronický uzavretý systém, ktorý má svoj vstupný a výstupný obvod.
Jeho vnútorná štruktúra môže byť jednoduchá ale aj veľmi zložitá, podľa toho, aké požiadavky
má plniť. V blokových schémach zosilňovač nadobúda základnú formu aktívneho štvorpólu,
alebo dvojbranu.
Vstupný signál privedený na vstup dvojbranu je riadiacim signálom, ktorý ovláda dodávku
energie z napájacieho obvodu do obvodu výstupného.
Výstupný signál zosilňovača je vždy na vyššej energetickej úrovni, ako signál vstupný, pričom
riadenie tohto procesu zabezpečuje vnútorná obvodová štruktúra zosilňovača v ktorej hlavnú
úlohu zohrávajú aktívne elektronické súčiastky ktorými môžu byť vákuové elektrónky,
tranzistory bipolárne alebo unipolárne, integrované obvody.
Výstupný signál zosilňovača by mal byť čo najvernejšou kópiu vstupného signálu na vyššej
energetickej úrovni – zachovať čo možno v najvyššej miere informačný obsah vstupného
signálu.
Pri spracovaní elektrických signálov je často potrebné signál vhodným spôsobom upraviť a
zosilniť. Zdrojom signálov môžu byť rôzne elektronické obvody a zariadenia. Úlohou
zosilňovača je zosilniť slabý signál na úroveň potrebnú pre využitie v nejakom meniči energie
napr. v reproduktore.
Obrázok 1 Zosilňovač v zapojení s reproduktorom
Rozdelenie zosilňovačov: Mnoho oblastí použitia zosilňovačov a mnoho rozličných typov
elektrických signálov generovaných generátormi, spôsobilo, že zosilňovač je dnes veľmi často
využívaným zariadením, ktoré je potrebné pre dané použitie bližšie špecifikovať a navrhnúť.
Zosilňovače môžeme z tohto dôvodu rozdeliť do mnohých skupín.
Podľa veľkosti vstupného signálu:
a) Zosilňovače malých výkonov: zosilňujú malé signály, vykazujú veľké napäťové
zosilnenie malé skreslenie a malý vlastný šum. (predzosilňovače, meracie zosilňovače.
atď.)
- 2 -
b) Zosilňovače výkonové: zosilňujú vyššie úrovne signálov, musia mať dostatočný
výstupný výkon, veľkú účinnosť a malé skreslenie signálu (koncové stupne audio
zosilňovačov, vf zos.)
Podľa kmitočtového rozsahu zosilňovaných signálov:
a) Jednosmerné zosilňovače (zosilňujú jednosmerné i striedavé signály)
b) Striedavé zosilňovače
c) Nízkofrekvenčné zosilňovače (kmitočtový rozsah od 1Hz do desiatok kHz)
d) Vysokofrekvenčné zosilňovače (kmitočtový rozsah od cca 100kHz do desiatky MHz)
e) Zosilňovače pre veľmi a ultra vysoké kmitočty
f) Mikrovlnné zosilňovače (kmitočtové pásmo okolo 1 GHz a vyššie)
Podľa štruktúry vstupného obvodu:
a) Zosilňovače so symetrickým vstupom a nesymetrickým výstupom (diferenčné a OZ)
b) Zosilňovače s nesymetrickým vstupom
Podľa fáze výstupného signálu:
a) Zosilňovače neinvertujúce: fáza výstupného signálu je v pásme prenášaných kmitočtov
(v oblasti stredných kmitočtov) rovnaká s fázou vstupného signálu.
b) Zosilňovače invertujúce: fáza výstupného signálu je v pásme prenášaných kmitočtov
opačná oproti fázy vstupného signálu (fázový posun 180
ο
)
Podľa technológie:
a) Zosilňovače realizované diskrétnymi súčiastkami
b) Zosilňovače integrované monolytické
c) Zosilňovače hybridné-kombinované dve predchádzajúce technológie
Podľa použitých aktívnych súčiastok:
a) Elektrónkové zosilňovače
b) Tranzistorové zosilňovače
c) Zosilňovače s integrovanými obvodmi
Podľa druhu a frekvencie vstupného signálu:
a) Nízkofrekvenčné: Spracúvajú signály z oblasti tónových kmitočtov 20 Hz až 20 kHz a
ich hlavnou oblasťou využitia sú elektroakustické zariadenia.
b) Vysokofrekvenčné: Spracúvajú signály z oblasti kmitočtov v rozsahu nad 20 kHz a ich
hlavnou oblasťou využitia sú zariadenia určené na prenos správ.
c) Impulzné zosilňovače: Spracúvajú impulzné signály obvodov v televíznej technike a
rôznych prenosových systémoch a impulzových zdrojoch.
d) Jednosmerné zosilňovače: Používajú sa na zosilnenie jednosmerných signálov ale aj
signálov striedavých aj tam kde je potrebné zosilniť jednosmerné a striedavé signály
súčasne v jednom zariadení. Takými zariadeniami sú meracie a regulačné zariadenia.
Podľa šírky prenášaného kmitočtového pásma:
a) Zosilňovače úzkopásmové
b) Zosilňovače širokopásmové
- 3 -
Šírka prenášaného kmitočtového pásma zosilňovača je definovaná dolným hraničným
kmitočtom f
dh
a horným hraničným kmitočtom f
hh
. Pre úzkopásmové zosilňovače je pomer
f
hh
/ f
dh
< 2, pre širokopásmové f
hh
/ f
dh
> 2.
Podľa veľkosti budiaceho signálu:
a) Zosilňovače malých signálov
b) Zosilňovače veľkých signálov
V zosilňovačoch má každá aktívna súčiastka definované pracovné podmienky polohou
statického pracovného bodu na volt-ampérových charakteristikách. Po privedení vstupného
signálu sa statický pracovný bod dynamický pohybuje po záťažovej priamke.
Zosilnenie a útlm: Keď má signál po priechode štvorpólom rovnaký tvar a časový priebeh
a väčší výkon, hovoríme o zosilnení na aktívnom štvorpóle. Keď má po priechode štvorpólom
menší výkon, hovoríme o útlme. Podiel výstupnej a vstupnej veličiny sa nazýva zosilnenie
alebo zosilňovací činiteľ.
Pri priechode signálu zosilňovačom dochádza k oneskoreniu medzi vstupným a výstupným
signálom čo spôsobuje medzi nimi fázový posun. Zosilnenie je preto komplexná veličina.
Označuje sa písmenom A. Podľa typu zosilneného signálu, môže byť vstupnou prípadne
výstupnou veličinou napätie, prúd alebo výkon. Ak je zosilnenie:
A < 1 – je signál dvojbranom zoslabený (útlm signálu)
A = 1 – výstupný signál má rovnakú amplitúdu ako vstupný, dvojbran má inú funkciu
než zosilňovaciu
A > 1 – signál je obvodom zosilňovaný
Kmitočtová charakteristika má dve zložky:
a) Amplitúdovú charakteristiku A
dB
= f ( f )
b) Fázovú charakteristiku φ = f ( f )
Obrázok 2 Kmitočtová a fázová charakteristika zosilňovača striedavého signálu
- 4 -
Z typického priebehu vidíme, že amplitúdová charakteristika A
dB
= f ( f ) má typické tri oblasti
– oblasť dolných medzných kmitočtov, oblasť stredných kmitočtov a oblasť horných medzných
kmitočtov. Prvá oblasť pripomína derivačný článok a koncová časť článok integračný. Stredná
časť má takmer konštantné zosilnenie a konštantný fázový posun výstupného signálu.
Význačnými časťami kmitočtových charakteristík je:
a) Oblasť stredných kmitočtov ktorá je ohraničená kmitočtami, na ktorých poklesne
zosilnenie o 3 dB (zosilnenie zmenšené krát).
b) Dolný medzný kmitočet f
md
, je dolný kmitočet na ktorom dochádza k poklesu zosilnenia
o 3 dB.
c) Horný medzný kmitočet f
mh
, je horný kmitočet pri ktorom dochádza k poklesu
zosilnenia o 3 dB.
d) Šírka kmitočtového pásma zosilňovača je určená rozdielom horného a dolného
medzného kmitočtu B= f
mh
– f
md
.
Pretože na medzných kmitočtoch dochádza oproti stredným kmitočtom k fázovému posuvu
o 45
o
, majú kvalitné zosilňovače definovanú toleranciu zmeny zosilnenia v oblasti stredných
kmitočtov menšiu napr. pre pokles zosilnenia o 1 dB namiesto o 3 dB.
Obrázok 3 Kmitočtová a fázové charakteristika jednosmerného zosilňovača
Šum zosilňovačov: Rezistory a aktívne súčiastky ktoré tvoria elektronické obvody
zosilňovačov generujú po pripojení napätia, šumové napätia, ktoré zväčšujú šum výstupného
napätia zosilňovača. Šum zosilňovača je vyjadrovaný činiteľom šumu F daným vzťahom:
P
vst
je výkon signálu privedeného na vstup zosilňovača
P
výst
je výkon signálu na výstupe zosilňovača
P
švst
je šumový výkon vstupného signálu zosilňovača
P
švýst
je šumový výkon na výstupe zosilňovača
- 5 -
Šumový činiteľ F vyjadruje zvýšenie výstupného šumového výkonu oproti šumovému výkonu
vstupnému zosilňovača. Je to hodnota charakterizujúca zmenšenie pomeru signál/šum na
výstupe, oproti vstupu zosilňovača.
Miera šumu F
dB
je šumový činiteľ vyjadrený v dB: F
dB
= 10.log F
Skreslenie zosilneného signálu: Pri prenose signálu zosilňovačom, dochádza ku skresleniu
prenášaného signálu. Rozlišujeme skreslenie:
a) Lineárne
a. Amplitúdové (útlmové): len zmena amplitúdy signálu vyjadruje sa činiteľom
skreslenia d
b. Fázové: zmena časového posunu výstupného signálu k vstupnému signálu
b) Nelineárne
a. Harmonické skreslenie: výstupný signál obsahuje harmonické zložky – veľkosť
vyjadruje činiteľ harmonického skreslenia k
h
b. Kmitočtové skreslenie: zosilnenie nie je konštantné a fázový posun medzi
vstupným a výstupným signálom nie je priamo úmerný kmitočtu
Obrázok 4 Bez skreslenia
Obrázok 5 Útlmové skreslenie
Obrázok 6 Kmitočtovo závislé útlmové skreslenie
Keď nie je medzi výstupným signálom a vstupným signálom lineárny vzťah (Obrázok 7),
charakteristika zosilňujúcej súčiastky tranzistora nie je lineárna, vzniká nelineárne skreslenie
(tvarové skreslenie) signálu. Na nelineárnej prevodovej charakteristike tranzistora dochádza k
tvarovému skresleniu každého sínusového vstupného signálu (mysleného harmonického
rozkladu zosilovaného signálu) a tým vzniknú (v myslenom rozklade) daľšie tzv. vyššie
harmonické zložky. Každú periodickú funkciu (vyjadrujúcu napr. tvar obdĺžnikových
- 6 -
impulzov), možno vyjadriť ako súčet sínusových funkcií s rôznymi kmitočtami, ktoré sú
celistvým násobkom základného kmitočtu periodickej funkcie s rôznymi amplitúdami.
Harmonický rozklad periodickej funkcie je známy podľa svojho objaviteľa Jeana Baptistu
Josepha Fouriera ako Fouririerová transformácia.
Obrázok 7 Nelineárne tvarové skreslenie
Každý periodický nesínusový signál, môžeme vyjadriť ako súčet sínusových funkcií s rôznymi
kmitočtami a amplitúdami.
Obrázok 8 Fourierov rozklad
- 7 -
Pravidlá pre pripojenie tranzistorov:
1. Tranzistor je riadený cez bázu, preto musí napätie báza-emitor odpovedať priepustnému
smeru
2. Tranzistor musí byť pripojený na jednosmerné napätie
3. Prúd I
B
a I
C
musí byť obmedzený
4. Podľa druhu prevádzky musí byť pracovný bod správne nastavený
5. Pri prevádzke nesmie byť prekročený prípustný stratový výkon [1]
Obrázok 9 Správne zapojenie pre tranzistor
Obrázok 10 Zapojenie so spoločným emitorom SE
- 8 -
Obrázok 11 Zapojenie so spoločným kolektorom SK
Obrázok 12 Zapojenie so spoločnou bázou SB
Zapojenie so spoločným emitorom SE sa používa najčastejšie. Vstupný signál sa privádza
medzi bázu a spoločnú elektródu - emitor. Výstupný signál je vzhľadom k vstupnému fázovo
natočený o 180° (je v protifáze). Charakteristickou vlastnosťou tranzistoru v zapojení so
spoločným emitorom je jeho výkonové zosilnenie (je dané súčinom napäťového a prúdového
zosilnenia) je najväčšie zo všetkých uvedených zapojení, dosahujúce hodnoty až 20 000.
Zapojenie so spoločným kolektorom SC má veľký vstupný odpor (1 MΩ a viac).Výstupný
odpor je malý (v rozmedzí niekoľko desiatok až stoviek ohmov). Výstupné napätie je so
vstupným vo fáze. Pretože výstupné napätie tu má približne rovnakú veľkosť ako vstupné,
nazýva sa toto zapojenie tiež emitorový sledovač. Používa sa tam, kde vyžadujeme pomerne
veľký vstupný a malý výstupný odpor.
Zapojenie so spoločnou bázou SB. Ani tu nedochádza k fázovému natočeniu prechádzajúceho
signálu. Dnes sa používa skôr výnimočne, v minulosti sa bežné zapojenie SB používalo vo
vysoko-frekvenčných obvodoch kvôli vyššej medznej frekvencii a umožnilo dosiahnuť zvlášť
malý vstupný odpor, ktorý bol podmienkou ku stabilnej činnosti vysokofrekvenčného
zosilňovača. [2]
- 9 -
Podmienky pre nastavenie pracovného bodu pri lineárnom spracovaní signálu: Prechod
kolektor-báza (kolektorová dióda) je polarizovaná v záverom smere potenciál kolektora musí
byť pri tranzistore n-p-n o niekoľko voltov kladnejší ako potenciál báze (pri p-n-p tranzistore
musí byť zápornejší).
Prechod báza-emitor (emitorová dióda) je polarizovaná v priepustnom smere úbytok napätia na
tomto priechode sa pohybuje v rozsahu 0,4 až 0,8 V. Vzhľadom k veľkej teplotnej závislosti
prúdu I
CB0
, musí byť v pracovnom bode kolektorový prúd I
CP
˃ I
CB0
, pre Si tranzistory je
splnené.
Polohu pokojového pracovného bodu volíme s ohľadom na požadované prenosové vlastnosti
zosilňovača ako je zosilnenie, šírka pásma, veľkosť zosilneného signálu, skreslenie.
Linearizované parametre v okolí pracovného bodu výrazne závislé od veľkosti kolektorového
prúdu.
- 10 -
Obrázok 13 Zapojenie SE – umiestnenie pracovného bodu do stredu
Nastavenie pracovného bodu má významný vplyv na tvar výstupného signálu. Na danom
obrázku sú znázornené priebehy výstupného prúdu a napätia zosilňovača v zapojení so
spoločným emitorom, ak umiestnime pracovný bod do stredu výstupných charakteristík
tranzistora. Prúdové zosilnenie v zapojení s týmito charakteristikami je:
Obrázok 14 Zmena výstupného prúdu i
C
, pracovný bod zvolený na okraji prevodovej
Na obrázku sú znázornené dva krajné prípady, kedy sa pracovný bod v zapojení s rovnakým
tranzistorom a rovnakým odporom R
C
v zapojení ako v predchádzajúcom prípade posunul v
prípade a. k hornému okraju prevodovej charakteristiky a v prípade b. k dolnému okraju
prevodovej charakteristiky. Je zrejmé, že posunutie v oboch prípadoch je nevhodné a je príčinou
vzniku tvarového skreslenia výstupného signálu.
- 11 -
Obrázok 15 Zapojenie SE a výstupné charakteristiky pre rôzne záťažové odpory R
C
Z obrázku je zrejmá závislosť zmeny pracovného bodu na zmene veľkosti RC pri konštantnej
veľkosti napájacieho napätia U
N
. To má vplyv na maximálny možný rozkmit kolektorového
prúdu. Ak je väčšia hodnota R
C
zmenší sa max. možná veľkosť kolektorového prúdu.
Pritom sa menšou zmenou vstupného signálu vybudí väčšia zmena napätia U
CE
zväčší sa
napäťové zosilnenie.
Obrázok 16 Nastavenie pracovného bodu v zapojení SE – bázový predradník
Keď sa nachádza tranzistor v obvode, ktorý je napájaný z jednosmernými zdrojmi, ustália sa
obvodové veličiny tranzistora (prúdy a napätia) na určitých hodnotách daných parametrami
tranzistora a veľkosťou prvkov obvodu. Bod na ktorom sa napätia a prúdy ustália nazývame
jednosmerným (pokojovým) pracovným bodom (označenie P). Na horeuvedenom obrázku je
jedno z najčastejšie používaných zapojení na nastavenie pracovného bodu tranzistora-zapojenie
s tzv. bázovým predradníkom. Nastavenie potrebného prúdu do báze tranzistora je určené
veľkosťou odporu R
B
. Napätie U
BE
, má v aktívnom režime činnosti tranzistora veľkosť pre Ge
tranzistory U
BE
= 0,2 až 0,3 V, pre Si tranzistory U
BE
= 0,6 až 0,7 V. Prúd tečúci do báze
tranzistora je v pracovnom bode nastavený odporom R
B
.
- 12 -
Obrázok 17 Nastavenie pracovného bodu v zapojení SE – bázový delič
Zapojenie s bázovým deličom odstraňuje nedostatok bázového predradníka. Z hľadiska funkcie
deliča by bolo výhodné aby rezistory R
B1
a R
B2
mali čo najmenšiu hodnotu. To by však
spôsobilo podstatné zmenšenie vstupného odporu zosilňovača. Preto sa odporúča aby
I
2
= 10. I
B
a tam kde sa vyžaduje väčší vstupný odpor I
2
= 2 . I
B
.
Teplotná stabilizácia nastavenia pracovného bodu: Pre značnú teplotnú závislosť
parametrov tranzistorov ich musíme považovať za súčiastky riadené teplotou. Vplyv teploty na
priebeh ich charakteristík a zmeny parametrov je veľký. Ťažisková je závislosť teplotnej zmeny
kolektorového prúdu.
Obrázok 18 Teplotná závislosť parametrov bipolárnych tranzistorov
Vplyv teploty na kolektorový prúd I
C
tranzistorov Si a Ge: Zmena kolektorového prúdu je
výsledným produktom teplotnej závislosti hlavne týchto veličín:
a) Zvyškového prúdu kolektor-báza I
CB0
a preto aj I
CE0
, zvyškový prúd sa pri zmene teploty
o 10
o
C približne zdvojnásobí, čo sa prejaví na zmene veľkosti kolektorového prúdu.
b) Jednosmerného prúdového zosilňovacieho činiteľa h
21E
- 13 -
c) Napätia báza-emitor U
BE
, ktoré je potrebné na nastavenie prúdu kolektora. Pri
konštantnom prúde emitora a neveľkých zmenách teploty sa napätie na emitorovom
prechode mení o hodnotu 2 až 3 mV/
o
C).
Pre Si tranzistory je rozhodujúca teplotná zmena napätia na prechode báza-emitor (U
BE
).
Zvyškové prúdy sú rádovo nA a ich vplyv je zanedbateľný.
Nevýhodnejšia je teplotná závislosť Ge tranzistorov, kde zvyškový prúd I
CE0
môže pri vyšších
teplotách dosiahnuť veľkosti µA a jeho vplyv prevažuje.
Stabilizáciu kolektorového prúdu je možné zabezpečiť:
a) Zavedením zápornej spätnej väzby
b) Využitím zdroja konštantného prúdu
c) Pomocou kompenzačného zapojenia využitím vhodného nelineárneho teplotne
závislého prvku (termistor NTC)
d) Použitím súmerného zapojenia-zosilňovače s rozdielovými vstupmi
Obrázok 19 Zavedenie emitorového odporu R
E
Teplotná stabilizácia nastavenia pracovného bodu zavedením emitorového odporu R
E
.
Obrázok 20 Odpor R
E
pôsobí ako záporná prúdová spätná väzba
- 14 -
Keď do obvodu emitora zapojenia SE pridáme emitorový rezistor R
E
, zaviedli sme do
zosilňovača sériovú prúdovú zápornú spätnú väzbu. Deličom R
B1
, R
B2
, je na R
B2
, nastavený
úbytok napätia: U
RB
Vplyvom zmeny teploty sa zmenší veľkosť napätia U
BE
, čo má za následok zväčšenie prúdu
báze I
B
a prúdu kolektora I
C
. Pretože I
E
= I
C
+ I
B
nastane so zväčšením I
C
aj I
B
. Pretože
U
RB2
= konšt. Bude:
Zväčšenie napätia U
RE
umožní zmenšenie zmeny prúdu I
B
a tým stabilizovať pracovný bod
tranzistora. Na rezistore R
E
, vzniká vzhľadom k zmenám vstupného signálu proti-napätie, ktoré
zmenšuje vplyv zmien vstupného signálu na kolektorový prúd I
C
. Prenos zápornej spätnej väzby
spôsobenej rezistorom R
E
určíme z rovnice:
Prenos spätnej väzby je:
Napätie U
BE
má v aktívnom režime tranzistora veľkosť:
1. Pre germániové tranzistory U
BE
= 0,2 až 0,3 V
2. Pre kremíkové tranzistor U
BE
= 0,6 až 0,7 V
Obrázok 21 Najčastejšie používané zapojenia pre nastavenie pracovného bodu tranzistora
Na obrázku a) sú zobrazené obvodové veličiny tranzistora.
Na obrázku b) je prúd tečúci do báze tranzistora v pracovnom bode nastavený rezistorom R
B
,
zapojeným jedným vývodom ku kladnému vývodu napájacieho zdroja napätia U
N
, druhým
vývodom k bázy tranzistora. Odpor bázového predradníka R
B
vypočítame z daného vzťahu a
prúd I
B
určíme z charakteristík tranzistora. Výhodou bázového predradníka je jednoduchosť a
veľká hodnota rezistora R
B
. Keď nastane zväčšenie prúdu báze napr. vplyvom zvýšenia teploty
zväčší sa pretekajúcim prúdom úbytok napätia na R
B
, (U
RB
= R
B
. I
B
), čo má za následok
zmenšenia U
BE
, a následkom toho zmenšenia prírastku prúdu I
B
. Hlavná nevýhoda toho
- 15 -
spôsobu je, že v dôsledku rozptylu charakteristík tranzistorov, musíme prakticky pri každom
zosilňovači nastavovať pracovný bod zmenou hodnoty R
B
.
Túto nevýhodu obchádzame použitím bázového deliča, tvoreného rezistormi R
B1
, R
B2
.
Z hľadiska funkcie by bolo výhodné aby ich hodnoty boli čo najmenšie. To by však
spôsobovalo, že vstupný odpor zosilňovača by bol malý. Z toho dôvodu sa prakticky volí prúd
I
2
= (2 až 10). Hodnoty odporov bázového deliča vypočítame podľa uvedených vzťahov.
Nevýhodou tohto zapojenia je jednak zmenšenie vstupného odporu zosilňovača a tiež
skutočnosť, že zvýšením teploty narastá bázový prúd ale preto aj prúd kolektora I
C
čo posúva
pracovný bod tranzistora.
Pre zapojenie b)
Pre zapojenie c)
Obrázok 22 Najčastejšie používané zapojenia pre nastavenie pracovného bodu tranzistora zavedením paralelnej zápornej
spätnej väzby
V zapojení na obrázku b), keď sa zmení vplyvom vonkajších podmienok kolektorový prúd
tranzistora, zmení sa úbytok napätia na odpore R
C
. Keď sa uvedenou zmenou zväčší
kolektorový prúd , zväčší sa aj úbytok napätia na kolektorovom odpore R
C
a klesne úbytok
napätia na kolektore tranzistora. Znížené napätie na kolektore znamená zmenšenie napätia na
výstupe deliča R
B1
, R
B2
. To má za následok zmenšenie napätia U
BE
a preto aj zmenšenie
kolektorového prúdu.
R
B1
= R
B11
+ R
B12
R
B1
= U
RB1
/I
1
= U
CE
– U
BE
/I
2
+I
B
R
B2
= U
RB2
/I
2
= U
BE
/I
2
Aby sa na činnosti deliča neuplatňoval vplyv prúdu báze I
B
(uplatní sa ak budú hodnoty
rezistorov R
B1
a R
B2
príliš veľké), je potrebné aby bola splnená podmienka I
B
˂ I
1
a I
2
= 10 I
B
Viacstupňové zosilňovače: Pri návrhu zosilňovača prakticky v prevažnej väčšine prípadov
zosilňovač obsahuje viac jednostupňových zosilňovacích stupňov zapojených do kaskády za
sebou. Príčinou býva skutočnosť, že jedným stupňom nemôžeme dosiahnuť splnenie všetkých
požadovaných parametrov (napäťové, prúdové zosilnenie, vstupný a výstupný odpor resp.
ďalšie parametre. Napr. pre maximálny prenášaný výkon je potrebné pre danú záťaž mať
rovnaký výstupný odpor zosilňovača ako je odpor záťaže.
- 16 -
Tam, kde jednoduchý zosilňovací stupeň neposkytne žiadané zosilnenie signálu sú používané
viacstupňové zosilňovače. Jednotlivé zosilňovacie stupne sú spojované do kaskády za sebou.
Obrázok 23 Viacstupňové zosilňovače
u
s
- napätie zdroja signálu
Z
i
- vnútorná impedancia signálu
A, B, C - väzobné obvody medzi stupňami reťazca
Z
i1
až Z
i3
- vstupné impedancie jednotlivých stupňov zosilňovača
Z
01
až Z
03
- výstupné impedancie jednotlivých stupňov zosilňovača
Z
Z
- záťažová impedancia
u
1
až u
3
- výstupné napätia jednotlivých stupňov zosilňovača
Jednotlivé zosilňovacie stupne môžu byť tvorené jednostupňovými, alebo viacstupňovými
tranzistorovými zosilňovačmi, alebo integrovanými obvodmi. Zosilňovací stupeň A môže byť
napr. napäťový predzosilňovač, zosilňovací stupeň B môže byť ako napäťový zosilňovací
stupeň a zosilňovací stupeň C môže byť výkonový zosilňovač dodávajúci do záťaže potrebný
výkon. Nakoľko jednotlivé zosilňovacie stupne môžu mať rôzne vlastnosti (zosilnenie,
napäťové, prúdové a aj ostatné parametre- vstupný odpor výstupný odpor atď., umožňujú
vytvárať vo vnútornej obvodovej architektúre širokú škálu možností kvalitného spracovania
signálu.
Väzobné obvody A,B,C umožňujú vhodný spôsob spojenia výstupov predchádzajúcich so
vstupmi nasledujúcich zosilňovacích stupňov a ovplyvňujú tiež ich vlastnosti. Väzbové obvody
zabezpečujú aj autonómiu nastavených pracovných bodov jednotlivých stupňov.
- 17 -
Spätná väzba zosilňovačov: Spätnou väzbou rozumieme takú elektrickú väzbu medzi
stupňami zosilňovača, pri ktorej sa časť energie zosilneného signálu z výstupu zosilňovača
vedie opäť na jeho vstup. Podľa veľkosti fázového posunu medzi pôvodným signálom a
signálom privedeným z výstupu sa výsledný prenos buď zmenšuje (vtedy hovoríme o zápornej
spätnej väzbe) , alebo zväčšuje (vtedy hovoríme o kladnej spätnej väzbe). [3]
Obrázok 24 Zosilňovač so spätnou väzbou
Blackov vzťah: Výstupné napätie zosilňovača U
2
= U
1
. A. Po zavedení spätnej väzby bude
vstupné napätie U
10
určené rovnicou : U
10
= U
1
± U
ZV
. Znamienko + v rovnici sa vzťahuje k
tomu, či je spätnoväzobný signál vo fázy (+), alebo v protifázy (-) oproti vstupnému signálu.
Ak sú signály vo fázy tak sa sčítavajú. V opačnom prípade signál spätnej väzby U
ZV
zoslabuje
vtupný signál U
1
. Pretože na vstup spätnoväzbového člena privádzame napätie U
2
, je na jeho
výstupe napätie U
ZV
= U
2
. ß, takže U
10
= U
1
± U
2
. ß.
Pretože zosilnenie určíme ako pomer výstupného a vstupného signálu A = U
2
/ U
1
úpravou
dostaneme:
Základné pojmy:
a) Prenos spätnej väzby – ß
b) Činiteľ spätnej väzby – prenos otvorenej slučky ß.A0
c) Stupeň spätnej väzby – vratný rozdiel N = 1 – ß.A0
d) Prenos spätnoväzbovej sústavy (zosilnenie so spätnou väzbou) A
Záporná spätná väzba: Princíp zápornej spätnej väzby spočíva v tom, že na vstup zosilňovača
je privedený signál U
1
, zmenšený o signál spätnej väzby U
ZV
. Výsledný vstupný signál U
10
je
oproti vstupnému signálu U
1
zmenšený a preto je menší aj výstupný signál zosilňovača U
2
vzhľadom k stavu bez spätnej väzby. Pretože zosilnenie zosilňovača je dané ako pomer
výstupného k vstupnému signálu, je zosilnenie so zápornou spätnou väzbou oproti zosilneniu
bez spätnej väzby menšie
- 18 -
Pri zápornej spätnej väzbe je:
a) Zmenšené zosilnenie signálu
b) Zmenšené skreslenie signálu
c) Zväčšuje sa šírka prenášaného pásma
d) Zväčšuje stabilitu zosilňovača
Obrázok 25 Neinvertujúci zosilňovač a invertujúci zosilňovač
Obrázok 26 Vstupný signál
Obrázok 27 Signál spätnej väzby
Obrázok 28 Výsledný vstupný signál
- 19 -
Prenos otvorenej slučky – činiteľ spätnej väzby záporný ß.A
0
< 0
Vratný rozdiel – činiteľ spätnej väzby N = 1 – ß.A
0
˃ 1
Fázový posun spätnoväzobného signálu voči vstupnému φ= 180
o
Kladná spätná väzba zosilňovačov: Na vstup zosilňovača sa privádza signál U
1
, zväčšený o
signál spätnej väzby U
ZV
. Výsledný vstupný signál U
10
je oproti signálu U
1
zväčšený a preto je
väčší aj výstupný signál U
2
vzhľadom k stavu bez spätnej väzby. Z tohto dôvodu zosilnenie s
kladnou spätnou väzbou je oproti zosilneniu bez spätnej väzby väčšie.
Pri kladnej spätnej väzbe je:
a) Zväčšené zosilnenie signálu
b) Zväčšené skreslenie signálu
c) Zväčšený šum vznikajúci v zosilňovači
d) Zmenšuje dynamiku zosilňovača
e) Zmenšuje šírku prenášaného frekvenčného pásma zosilňovača
f) Zmenšuje stabilitu zosilňovača
g) Zvyšuje náklonnosť na rozkmitanie zosilňovača
Obrázok 29 Neinvertujúci zosilňovač a invertujúci zosilňovač
Obrázok 30 Vstupný signál
Obrázok 31 Signál spätnej väzby
- 20 -
Obrázok 32 Výsledný vstupný signál
Prenos otvorenej slučky – činiteľ spätnej väzby kladný ß.A
0
˃ 0
Vratný rozdiel – činiteľ spätnej väzby N = 1 – ß.A
0
< 1
Fázový posun spätnoväzobného signálu voči vstupnému φ = 0
o
Základné druhy spätnej väzby vzhľadom k zapojeniu: Zosilňovač a spätnoväzbový obvod
sú dvojbrany. To umožňuje ich vzájomné zapojenie, ktoré podľa toho, či ide o zapojenie vstupu
alebo výstupu zosilňovača označujeme:
Podľa zapojenia vstupu zosilňovača a výstupu spätnej väzby:
a) Sériová spätná väzba
b) Paralelná spätná väzba
Podľa zapojenia výstupu zosilňovača a vstupu spätnej väzby:
a) Prúdová spätná väzba
b) Napäťová spätná väzba
Kombináciou zapojenia vstupov a výstupov, získame štyri druhy spätnej väzby.
Obrázok 33 Sériová prúdová spätná väzba
- 21 -
Obrázok 34 Príklad zapojenia prúdovej sériovej spätnej väzby bipolárnym tranzistorom
Pri sériovej prúdovej spätnej väzbe je spätnoväzbový člen na vstupe aj na výstupe zapojený
sériovo so zosilňovačom. Výstupný prúd zosilňovača prechádza vstupným obvodom
spätnoväzbového člena a vstupný prúd zosilňovača zároveň preteká výstupným obvodom
spätnoväzbového člena.
Obrázok 35 Paralelná napäťová spätná väzba
- 22 -
Obrázok 36 Praktický príklad paralelnej napäťovej spätnej väzby
Spätnoväzbový obvod je tvorený odporovým deličom, R
B
a R
G
. Spätná väzba vzniká
pôsobením odporu R
B
, ktorým sa na vstup zosilňovača privádza prúd, úmerný výstupnému
napätiu. Tento odpor tvorí spolu s ďalšími odpormi-vstupným odporom tranzistora a odporom
zdroja vstupného signálu R
G
napäťový delič, ktorý určuje veľkosť činiteľa spätnej väzby ß.
Obrázok 37 Sériová napäťová spätná väzba
- 23 -
Obrázok 38 Príklad sériovej napäťovej spätnej väzby
Vstup spätnoväzbového obvodu je paralelne pripojený k výstupu zosilňovača a preto napätie,
ktoré je na výstupe zosilňovača, je i na vstupe spätnoväzbového obvodu. Výstup
spätnoväzbového obvodu je spojený sériovo zo vstupom zosilňovača a preto vstupný prúd
preteká zároveň aj vstupným obvodom spätnoväzbového člena.
Obrázok 39 Paralelná prúdová spätná väzba
- 24 -
Obrázok 40 Príklad paralelnej prúdovej spätnej väzby
Výstup spätnoväzbového obvodu je sériovo spojený so vstupom zosilňovača a preto tečie
vstupný prúd zosilňovača aj výstupom spätnoväzbového obvodu. Vstup spätnoväzbového
obvodu je paralelne spojený s výstupom zosilňovača a preto je výstupné napätie zosilňovača
zhodné so vstupným napätím spätnoväzbového člena.
Triedy zosilňovačov: Podľa umiestnenia pokojového pracovného bodu a podľa spôsobu
spracovania signálu, rozlišujeme tieto triedy zosilňovačov:
Základné analógové triedy: A, AB, B, a C
Spínané: D, T, E, F
Špeciálne: G, H, I
Analógové triedy zosilňovačov: Rozdiel medzi analógovými triedami zosilňovačov spočíva
v umiestnení pracovného bodu v sústave charakteristík.
Zosilňovače triedy A: Pokojový pracovný bod pri zosilňovačoch triedy A, je umiestnený
v strede lineárnej časti dynamickej prevodovej charakteristiky.
Obrázok 41 Zosilňovače triedy A
Výkonové súčiastky (či už bipolárne tranzistory, MOSFET, elektrónky a iné) v jednočinnom
zapojení a nastaveným pokojovým prúdom tak, aby boli stále vo vodivom (aktívnom) stave.
Vďaka veľkému pokojovému prúdu pracujú výkonové súčiastky zhruba uprostred svojej
lineárnej pracovnej oblasti a majú najmenšie skreslenie signálu. Nevýhodou je malá energetická
účinnosť, veľký príkon a jeho premena na teplo, teda veľké tepelné straty a nutnosť
dostatočného chladenia výkonových súčiastok. Použitie býva v High-end zosilňovačoch.
- 25 -
Maximálna teoretická účinnosť je 25%
Obrázok 42 Zosilňovač v triede A s transformátorovou väzbou
Výhody zosilňovačov triedy A: Pri najväčšom rozkmite signálu má zosilňovač malé skreslenie,
jednoduchosť zapojenia.
Nevýhody zosilňovačov triedy A: Tranzistorom preteká prúd aj v čase, keď nie je prítomný
signál, stratový výkon P
Z
= U
CE
. I
C
je najväčší práve uprostred charakteristík kde je pracovný
bod pre triedu A.
Zosilňovače triedy B: Pri zosilňovačoch triedy B je pracovný bod nastavený do bodu zániku
kolektorového prúdu a tranzistor je preto v čase keď nie je prítomný zosilňovaný, signál
zatvorený a nepreteká ním praktický žiadny prúd. Tranzistorom preteká prúd za čas poloviny
cyklu T/2, čo predstavuje uhol otvorenia 180
o
(π) vzhľadom na sínusový priebeh. Pretože je
jedna polperióda potlačená, využíva sa trieda B v dvojčinnom zapojení, kde každý tranzistor
spracováva jednu polovinu budiaceho signálu.
Obrázok 43 Zosilňovače triedy B
Výkonové súčiastky v dvojčinnom zapojení s nastaveným nulovým pokojovým prúdom. V
jednej polovici koncového stupňa sú súčiastky aktívne len pri kladnej polvlne spracovávaného
signálu, v druhej polovici naopak pri zápornej polvlne. Inak sú nevodivé a obe polovice
koncového stupňa sa tak v závislosti na polarite signálu striedajú v činnosti čo sa označuje ako
- 26 -
(push-pull). Pri prechode z vodivého do nevodivého stavu sú súčiastky v oboch zapojeniach
takmer nevodivé a vzniká nelineárne skreslenie signálu (prechodové skreslenie). Výhodou je
vyššia účinnosť (viac ako 50%), nulový pokojový prúd, nevýhodou je vyššie uvedené
skreslenie.
Maximálna účinnosť:
Výhody zosilňovačov triedy B: Vyššia energetická účinnosť vzhľadom na triedu A o viac než
50%, zosilňovače triedy B sú najpoužívanejšie v koncových nízkofrekvenčných zosilňovacích
stupňoch.
Nevýhody zosilňovačov triedy B: Pre zosilnenie celého signálu je potrebné zosilňovať kladnú
aj zápornú časť signálu, Zapojenie sa vyznačuje veľkým harmonickým skreslením v oblasti
malých signálov (zelené body).
Obrázok 44 Praktické zapojenie zosilňovača triedy B
Zapojenie predstavuje dvojčinný zosilňovací stupeň s dvomi tranzistormi typu NPN. Každý z
oboch tranzistorov môže zosilňovať len jednu kladnú polvlnu striedavého vstupného signálu.
Preto je potrebné, aby druhý tranzistor T
2
, bol budený rovnakým signálom, ale fázovo
posunutým o 180
o
oproti signálu na tranzistor T
1
.Toto otočenie fáze (polarity) zabezpečuje
transformátor Tr1. Pri kladných polvlnách zosilňovaného striedavého signálu sa otvára
tranzistor T
1
. A tranzistor T
2
sa pritom signálom s obrátenou polaritou zatvára. Pri druhej
polvlne sa T
1
zápornou polaritou zatvára a tranzistor T
2
naopak otvára. Vo výstupnom
transformátore sa vplyv zmien kolektorových prúdov obidvoch tranzistorov spočítava.
Teplotnú stabilizáciu zabezpečujú-termistor R
ϑ
a R
E
.
Zosilňovače triedy AB: Pracovný bod triedy AB je zvolený tak, aby bola odstránená najväčšia
nelinearita výstupného signálu-prechodové skreslenie.
- 27 -
Obrázok 45 Zosilňovače triedy AB
Keď do bázy tranzistorov zavedieme vhodné predpätie, začne nimi pretekať malý kolektorový
prúd. Zapojenie pre triedu B tým zmeníme na zapojenie pre triedu AB, účinnosť zosilňovača
sa tým zmenší. Tento zosilňovač sa pri malých budiacich signáloch správa ako zosilňovač triedy
A. Poloha pracovného bodu na prevodovej charakteristike zabezpečuje zmenšenie
prechodového skreslenia. Obe polarity zosilňovaného signálu sa získavajú sčítaním oboch
polovĺn signálu opäť podobne ako pre triede B využitím dvojčinného-protitaktného zapojenia.
Pre zosilňovače tohto typu je preferované zapojenie s komplementárnymi tranzistormi. Keďže
tranzistormi preteká síce menší prúd aj keď nespracovávajú signál, je účinnosť triedy AB
menšia ako triedy B. Napriek tomu má táto trieda prednosť pred triedou B.
Výhody zosilňovačov triedy AB: Veľké zníženie veľkosti nelineárneho skreslenia proti triede
B, väčšia účinnosť ako trieda A.
Nevýhody zosilňovačov triedy AB: Nižšia účinnosť ako trieda B, pre zosilnenie celého signálu
je potrebné tak ako pri triede B zvlášť zosilniť kladnú a zápornú polovlnu.
Zosilňovač triedy C: Zosilňovače triedy C majú pracovný bod zvolený až za bodom zlomu
dynamickej prevodovej charakteristiky, pod bodom zániku kolektorového prúdu. Uhol
otvorenia tranzistora je malý a kolektorový prúd tečie za čas kratší než je polovica času periódy
a je vzhľadom k budiacemu signálu značne skreslený. Zosilňovač je nelineárny.
Obrázok 46 Zosilňovač triedy C
- 28 -
Zosilňovač možno použiť s vhodnou rezonančnou záťažou-rezonančným obvodom. V takom
prípade má trieda C vysokú účinnosť teoreticky až 100%.Použitie ako koncové stupne
vysielačov. Použitie triedy C s odporovou záťažou nie je možné. Preto sa používajú ako
koncové stupne vysielačov.
Výkonové súčiastky majú nulový pokojový prúd a navyše zavedené predpätie, ktoré ich navyše
zatvára. Prechádzajú z nevodivého do aktívneho stavu až v špičkách vstupného signálu, ktorých
veľkosť dosahuje rádu desiatok percent napájacieho napätia. Skreslenie výstupného signálu je
omnoho výraznejšie ako v triede B. V nf technike teda nepoužiteľné, vo vf technike použitie v
jednočinnom alebo dvojčinnom zapojení vo vysielačoch.
Zosilňovač triedy D: Táto trieda nepatrí do kategórie lineárnych zosilňovačov, pretože pre
spracovanie signálu používajú techniku impulzne šírkovú moduláciu PWM (Pulse Width
Modulation) a je tiež označovaná ako trieda digitálna. Najväčšou prednosťou je ich veľmi
vysoká účinnosť (zväčša 80% a viac), spôsobená použitím spínacieho režimu tranzistorov.
Avšak nevýhodou je väčšie skreslenie v porovnaní s triedou A resp. AB.
Sínusový vstupný signál je modulovaný pomocou trojuholníkového signálu s oveľa vyššou
frekvenciou spravidla minimálne dvakrát väčšou ako vstupný signál a výsledný modulovaný
obdĺžnikový signál výstupu zosilňovača triedy D pred filtráciou.
Jedná sa o tzv. digitálne zosilňovacie a princíp ich funkcie je dosť zložitý. V skratke sa jedná o
využitie tzv. impulzne-šírkovej modulácie (PWM), ktorá zabezpečí zmenou digitálneho
signálu. Tento signál samozrejme musíme získať diskretizáciou analógového signálu, teda
prevedením analógovej formy signálu na formu digitálnu za pomoci AD prevodníkov. V
poslednej dobe sa využívajú sigma-delta prevodníky a iné, ktoré majú kvalitnejšie parametre.
Zosilňovač v takejto triede pracuje s konštantnou frekvenciou spínania a jeho účinnosť je veľmi
vysoká (80%). To v praxi znamená, že je použitý ľahký spínaný zdroj a zosilňovač vyvíja menej
stratového tepla → zosilňovacie vysokých výkonov.
Zosilňovač triedy G: V tejto triede sa spravidla používajú koncové stupne v triede AB, líšia sa
však v spôsobe napájanie koncových tranzistorov, ktoré je dvoj alebo aj viacstupňové.
Zjednodušene to znamená, že sa veľkosť napájacieho napätia prispôsobuje veľkosti
požadovaného výstupného výkonu. Pri menšom výkone pracuje zosilňovač s menším
napájacím napätím, a keď výstupný výkon presiahne určitú nastavenú rozhodovaciu úroveň
(veľkosť), pripojí sa vyššie napájacie napätie. Výhodou je zväčšená účinnosť oproti pracovnej
triede AB a menšie konštrukčné rozmery zosilňovača, nevýhodou je však zložitejší návrh
zapojenia.
Zosilňovač triedy H: Zhodná s triedou G, len veľkosť napájacieho napätia sa nemení skokovo,
ale presne sleduje veľkosť vstupného signálu. Napájacie napätie je tak presne na takej úrovni,
aby bola zachovaná správna činnosť výkonových súčiastok s ohľadom na veľkosť
požadovaného výstupného výkonu. Na výkonových súčiastkach zosilňovača je teda vždy
konštantný úbytok napätia. Výhodou je ešte vyššia účinnosť oproti triede G, nevýhodou je ešte
zložitejší návrh zapojenia.
Zosilňovač triedy S: Výkonové súčiastky sú spínané („digitálna“ trieda), od triedy D sa líši
tým, že vďaka implementácii nových digitálnych metód spracovania už nepotrebujú na výstupe
LC filter vo funkcii dolnej priepuste k potlačeniu spínacieho kmitočtu a ďalších parazitných
produktov spínania.
- 29 -
Zosilňovač triedy T: Tieto výkonové zosilňovače pracujú na podobnom princípe ako v triede
D, ale s použitím vylepšeného a dobre prepracovaného algoritmu riadenia. Toto označenie
triedy bolo zavedené firmou Tripathi. Výsledkom je účinnosť až 90% a vynikajúce zvukové
parametre, skreslenie pod 0,1% a malé nároky na chladenie.
Pomocné obvody zosilňovačov:
Ochrana výkonových súčiastok proti preťaženiu a skratu: Táto ochrana sa vkladá do
samotného koncového stupňa. Obvod sníma úbytok na emitorových (zapojenie SC) odporoch
a pri určitom napätí na týchto rezistoroch sa začnú otvárať pomocné tranzistory, ktoré majú za
úlohu obmedziť prúd tečúci do bázy koncových tranzistorov, ktoré na to reagujú znížením
výstupného prúdu do záťaže. Toto obmedzenie ochráni koncové tranzistory pred prúdom, ktorý
by bol nad hranicu dovoleného preťaženia, aby teda nedošlo k ich prerazeniu. Chráni hlavne
pred pripojením nižšej impedancie ako je dovolená alebo pri skrate výstupných svoriek.
Ochrana proti prúdovému nárazu pri zapnutí zosilňovača: Tiež nazývaná ako Softstart, je
určená pre zosilňovače vyššieho výkonu, kde nárazový prúd po zapnutí transformátora má
veľkosť niekoľko jednotiek až desiatok ampérov a vyhadzuje sieťové (domové) ističe či
poistky. Toto zariadenie znižuje počiatočný náraz prúdu pri sýtení jadra transformátoru a
nabíjaním filtračných kondenzátorov (napr. pomocou rezistora) a po určitej dobe sa tento
rezistor premostí (napr. pomocou relé) a obvod pracuje v normálnom režime.
Obvod ochrany reproduktorov: Ochranou reproduktorov sa rozumie ochrana pred
jednosmerným prúdom na výstupe zosilňovača. Obvod teda sleduje výstupné napätie a ak sa na
ňom objaví jednosmerná zložka (napr. pri poruche), tento obvod odpojí reproduktory (zaťaž)
od zosilňovača a tým zabráni ich poškodeniu či zničeniu. Tento obvod by mal obsahovať aj
oneskorené pripojenie záťaže, aby sa predišlo nepríjemným zvukom (tzv. lúpaním a
praskaním), ktoré sú spôsobené prechodovými javmi pri zapnutí zosilňovača.
Ochrana proti tepelnému preťaženiu: Výkonová strata koncového zosilňovača môže byť
značná a vplyvom vysokej teploty PN prechodu môže dôjsť k lavínovému nárastu prúdu
(prierazu) a tým k zničeniu koncových tranzistorov. Tomu sa dá predísť účinným chladením a
dostatočnou dimenzáciou chladiča v kombinácii s elektronickou tepelnou ochranou, ktorá
spočíva v stabilizácii kľudového prúdu v kombinácii so snímaním teploty koncových
tranzistorov (termistorom, diódou) a následným obmedzením výstupného výkonu pri prehriatí.
U zosilňovačov s vyšším výkonom sa používajú tepelné poistky, ktoré odpájajú napájacie
napätie, alebo zapínajú ventilátor. Pre snímanie teploty sa využíva závislosť priepustného
napätia PN prechodu na teplote.
Predzosilňovač: Je vstupný článok zosilňovača ako celku. Jeho prvou funkciou je úrovňovo
prispôsobiť signál zo vstupu k požadovanej veľkosti signálu pre ďalší stupeň zosilňovača.
Tento stupeň môže byť, ako korekčná časť, tak aj samotný koncový zosilňovač. Vstupné
napätie do predzosilňovača je väčšinou normované podľa zdroja signálu (napr. prehrávač CD
má normovaných U
výst
= 0,775 V), a preto pri návrhu musíme počítať s akým zdrojom signálu
daný stupeň použijeme. Pre tzv. univerzálny vstup používame väčšinou zosilňovač s
nastaviteľným zosilnením, ten má ovládací prvok GAIN, ktorým sa nastavujeme vstupnú
citlivosť. alšou dôležitou činnosťou je impedančné prispôsobenie. Každý zdroj má svoju
výstupnú impedanciu a každý zosilňovač má svoju určitú vstupnú impedanciu a tieto
impedancie sa musia prispôsobiť tak, aby každý ďalší stupeň príliš nepreťažoval
- 30 -
predchádzajúce. Vstupná impedancia by mala byť cca 10 krát vyššia, aby sa výstupná príliš
neuplatňovala. Predzosilňovač môže mať aj frekvenčnú korekciu (napr. RIAA), ktorá uvádza
signál, ktorý bol zmenený pri výrobe záznamu spať do pôvodného stavu (najlepšie rovnakého
ako pôvodného). Predzosilňovač máva veľké zosilnenie, pretože zosilňuje najmenšiu úroveň
signálu (ak ide o nízkoúrovňové signály) je najviac citlivý na svoj vlastný šum, ktorý zosilňuje
ako on sám tak aj ďalšie stupne. Snažíme sa teda o čo najväčší možný odstup signál-šum, aby
sme potlačili šum aj brum. Predzosilňovač musí mať možnosť relatívne veľkého prebudenia,
aby limitácie pokiaľ možno vznikali len v koncovom zosilňovači a nie v predzosilňovači, aby
teda koncový stupeň nezosilňoval už predtým skreslený signál.
Vysokofrekvenčné zosilňovače s jednoduchým ladeným obvodom: Vf zosilňovače
zosilňujú elektrické signály len v určitom presne stanovenom kmitočtovom pásme. Signály
mimo pásmo sú potlačené. Využívajú sa tu vlastnosti ladeného paralelného rezonančného
obvodu.
Obrázok 47 Vysokofrekvenčný zosilňovač s jednoduchým ladeným obvodom
Paralelný rezonančný obvod tvorí selektívnu záťaž naladenú na stredný kmitočet zosilňovaného
kmitočtového pásma. Jednosmerný pracovný bod nastavený rezistormi R
B1
, R
B2
a R
E
. R
V
je
vstupný odpor nasledujúceho stupňa. Impedancia ladeného obvodu je kmitočtovo závislá, ktorá
v stave rezonancie nadobúda maximum a čisto reálny-odporový charakter. Zosilnenie určuje T
ale aj rezonančná impedancia ladeného LC obvodu. Zosilnenie je najväčšie v strede pri
rezonančnom kmitočte. Šírka pásma je daná poklesom o -3 dB. Pre veľké Q je malá šírka
pásma, pre malé Q je nevyhovujúca selektivita. Preto sa používajú ako záťaž viazané
rezonančné obvody.
- 31 -
Obrázok 48 Vysokofrekvenčný zosilňovač s viazaným ladeným obvodom
Používajú ich kvalitnejšie zosilňovače. Prenos energie zo vstupu na výstup určuje činiteľ väzby
medzi rezonančnými obvodmi, ktorý sa nastavuje vzájomnou indukčnosťou M. Stupeň väzby
upravuje tvar rezonančnej krivky na tzv. väzbu kritickú, nadkritickú alebo podkritickú.
Najväčšia šírka pásma sa dosahuje pri nadkritickej väzbe. Odbočky na vinutí obvodov
zmenšujú tlmiaci účinok tranzistorov na obvody.
Širokopásmové zosilňovače: Úlohou širokopásmových zosilňovačov je zosilňovať signály vo
veľkom kmitočtovom pásme vzhľadom k strednému kmitočtu. Podstatná je fázová vernosť
prenosu. Sú používané pre zosilňovanie obrazových signálov-preto názov obrazové
zosilňovače.
Vysokofrekvenčné (vf) zosilňovače sú zosilňovače, ktorých pracovná oblasť frekvencií leží nad
nízkofrekvenčnou oblasťou, t.j. nad 1 MHz. Tieto zosilňovače sú prevažne realizované tak, že
ich vstupné a výstupné obvody obsahujú rezonančné obvody alebo sústavu rezonančných
obvodov. Jednotlivé zosilňovacie stupne tvoria tranzistory, pracujúce v triede A, v kolektore
ktorých je ladený rezonančný obvod. Špecifikom vf zosilňovačov je, že vstupný aj výstupný
odpor musí byť 50 Ohm (75 ohm) pre TV techniku.
Širokopásmové zosilňovače sú obvykle viacstupňové zosilňovače s odporovou záťažou
doplnené tzv. korekčnými obvodmi pre zlepšenie prenosových vlastností na dolnom a hornom
okraji prenášaného kmitočtového pásma.
Kompenzácia pre nízke frekvencie: Širokopásmové zosilňovače musia prenášať dobre
frekvencie vysoké, ale aj nízke. Na nízkych kmitočtoch dochádza k poklesu zosilnenia jednak
vplyvom väzobného kondenzátora C
V
, ktorý so vstupným odporom tranzistora T
2
tvorí
derivačný článok a tiež vplyvom rezistora R
E
, ktorý nie je pre nízke kmitočty skratovaný
kondenzátorom C
E
(reaktancia kondenzátora so zmenšujúcim sa kmitočtom narastá.) Výsledná
impedancia Z
E
paralelnej kombinácie R
E
/C
E
narastá a tým klesá zosilnenie zosilňovača na
nízkych kmitočtoch.
Platí vzťah:
- 32 -
Pre dosiahnutie rovnej AF charakteristiky v oblasti nízkych frekvencií je vhodné, aby sa činiteľ
v hore uvedenom vzťahu so znižujúcim sa kmitočtom zväčšoval. To sa dá dosiahnuť zapojením
kompenzačného obvodu.
Obrázok 49 Kompenzačný obvod pre zlepšenie prenosu nízkych frekvencií u vf zosilňovačov
Základnou požiadavkou je, aby reaktancia filtračného kondenzátora C
f
predstavovala pre
stredné a vysoké frekvencie skrat, teda odpor rezistora R
f
sa neuplatní a pre nízke frekvencie
bola omnoho väčšia ako je hodnota odporu rezistora R
f
. Z povedaného vyplýva, že pre stredné
a vysoké frekvencie pracuje stupeň s tranzistorom T
1
s maximálnym zosilnením Au, ktoré je
ovplyvnené len odporom rezistora R
K
(rezistor RE je skratovaný kondenzátorom CE.) Pre nízke
frekvencie, teda pre f < f
d
sa reaktancie kondenzátorov C
E
a C
f
začnú zvyšovať, čím sa začnú
zvyšovať aj impedancie Z
E
a Z
f
, teda odpor rezistora R
f
sa už začne uplatňovať a výsledný
vzťah pre výpočet napäťového zosilnenia nadobudne tvar:
Impedancie Z
f
a Z
E
sú frekvenčne závislé a so znižujúcim sa kmitočtom ich veľkosť narastá.
Paralelná kompenzácia je založená na zapojení cievky do série s rezistorom R
K1
.
Obrázok 50 Paralelná kompenzácia šírky pásma vf zosilňovača cievkou L
P
- 33 -
Indukčnosť kompenzačnej cievky L
P
sa volí tak, aby s parazitnými kapacitami tvorila paralelný
rezonančný obvod s plochou krivkou selektivity, s rezonančným kmitočtom f
0
v oblasti horného
medzného kmitočtu zosilňovača. Pri vyšších frekvenciách vzniká rezonancia, čím vznikne
napäťové prevýšenie na L
P
C
P
, čo sa prejaví zväčšením zosilnenia v hornej časti prenášaného
pásma.
Obrázok 51 Princíp frekvenčnej kompenzácie na zväčšenie šírky prenášaného pásma frekvencií vf zosilňovača
Krivka 1 predstavuje AF charakteristiku kompenzačného obvodu s L
P
C
P
Krivka 2 predstavuje AF charakteristiku zosilňovača s kompenzáciou
Krivka 3 predstavuje pôvodnú AF charakteristiku zosilňovača bez kompenzácie
Pre čo najrovnejšiu AF charakteristiku s kompenzáciou je potrebné, aby nárast prevýšenia
krivky selektivity kompenzačného obvodu (krivka 1) bol úmerný útlmu pôvodnej AF
charakteristiky bez kompenzácie (krivka 3), pre tú ktorú frekvenciu v oblasti vysokých
frekvencií. Ináč povedané, ak pôvodná AF charakteristika má na určitej vysokej frekvencii f
útlm napríklad -1 dB, potom krivka selektivity kompenzačného paralelného rezonančného
obvodu L
P
C
P
musí pri danej frekvencii f vykazovať nárast +1 dB.
Pri správne navrhnutej paralelnej kompenzácii sa dá dosiahnuť zväčšenie šírky prenášaného
pásma vf zosilňovača o 72 % oproti šírke pásma bez kompenzácie.
Sériová kompenzácia je založená na zapojení kompenzačnej indukčnosti LS do série s
parazitnými kapacitami, ktoré je potrebné kompenzovať.
- 34 -
Obrázok 52 Sériová kompenzácia šírky pásma vf zosilňovača cievkou L
S
Indukčnosť L
S
je volená tak, aby pre vysoké frekvencie tvorila s C
P
sériový rezonančný obvod
s plochou krivkou selektivity (nastavuje sa rezistorom R
S
). Keď sa frekvencia prenášaného
signálu blíži k rezonančnej frekvencii tohoto obvodu, začína sa jeho impedancia zmenšovať,
prúd kompenzačným obvodom narastá a na kapacite C
P2
(je súčasť parazitnej kapacity C
P
) sa
začne výstupné napätie u
2
zväčšovať (je tu využitá základná vlastnosť sériového rezonančného
obvodu). V konečnom dôsledku sa týmto spôsobom zabezpečí zväčšenie zosilnenia zosilňovača
v požadovanej oblasti prenášaného frekvenčného pásma. Podobne ako pri paralelnej
kompenzácii, aj tu musí byť splnená požiadavka vzťahu medzi pôvodnou AF charakteristikou
zosilňovača bez kompenzácie a krivkou selektivity kompenzačného obvodu pre dosiahnutie čo
najrovnejšej AF charakteristiky s kompenzáciou. Pri správne navrhnutom kompenzačnom
obvode sa dá dosiahnuť až dvojnásobná šírka prenášaného pásma kompenzovaného
zosilňovača oproti šírke pásma nekompenzovaného zosilňovača. [4]
